物理学家答：为什么时间只能向前走而无法倒流？

问:时间箭头是什么？为什么它困扰了物理学家近一个世纪？

答:对时间箭头的流行解释是，我们能记住过去，但不能记住未来。我们可以查阅历史书和其他记录来理解在我们之前发生的事情，但是在我们之后(将来)发生的事情是无法理解的。

这看起来很简单，但其中有一个悖论。物理学是对称的，这意味着无论你在时间上向哪个方向移动，情况都应该是一样的。例如，假设有一部电影记录了一个鸡蛋掉在桌子上，然后又掉在地上。如果你把胶片颠倒过来，所有的碎片都像是自组装的，这个力会把一个完整的鸡蛋反弹回桌子上——当然，这也符合物理定律。

然后问题出现了。为什么我们环顾宇宙，只看到第一种情况，却没有看到第二种情况？

问:有什么可能的解释吗？

答:人们提出了许多解释，其中大部分都围绕这样一个中心:时间箭头本质上是由熵的增加而产生的。粗略地说，熵是系统中无序的程度。熵是不对称的。这是热力学第二定律。我们知道，任何足够大的系统的总熵必须在足够长的时间内增加——它将从一种状态变成一种更无序的状态。

假设你先把一半盐放进瓶子，然后把另一半装满胡椒。起初有两个截然不同的层面。但是只要你移动或摇动瓶子，盐和胡椒就会混合在一起，变得无序。这是熵。因为这是一个单向过程，许多物理学家认为它决定了时间箭头的方向。

然而，这个理论有两个缺陷:第一个是熵有一个上限——你的盐和胡椒瓶最终会达到一个最无序的状态，也就是说，不管你怎么摇晃它们，它们都不会混合得更多。其次，为了观察熵的增加，首先你需要确定一个初始状态——盐和胡椒的初始状态。如果我们以我们的宇宙为例，我们必须仔细思考——高度有序的初始状态几乎是不可能的。

问:据说你通过观察复杂性的属性避免了这两个问题。你能解释一下吗？

答:我们已经建立了一个以重力为主要力量的大尺度宇宙的近似模型。宇宙充满了粒子。记住，这是一个简化的近似模型。例如，我们没有引入任何其他的力，或者引力波/暗物质。

我们不需要设置特殊的初始条件来生成时间箭头。原因很复杂，但根源在于重力与其他力不同。万有引力是吸引力(其他力，如强-弱相互作用力和电磁力都是吸引力和排斥力)。这非常重要。因为吸引力和排斥力的结合不可避免地创造了一个混乱的平衡，而单一的万有引力可以不断增长，我们已经从它进化出一个时间箭头。

这意味着，在我们的模型中，不管初始粒子的状态有多混乱，只要重力持续存在，宇宙的所有部分都会聚集在一起，我们的模型会合并成许多子系统。你可以把它们想象成星系的形成。它们都有自己独特的旋转、能量和动量。

问:等等，让我们先回顾一下。如果我们只考虑重力，为什么你的模型不会自行崩溃？

你很聪明。我们知道，当你把整个宇宙看作一个整体时，它实际上是在膨胀。我们通过设置粒子间距的增加将这种扩展机制引入到模型中。

这非常重要，因为在重力驱动的膨胀系统中，你会立即看到非常有趣的事情发生。宇宙的复杂性(我们把复杂性看作是描述模型聚合程度的一个明确的物理量)将继续增长，并且永远不会结束。我们发现，这样一个系统的复杂性将无限增加，无论你进入初始状态。

问:但是与重力无关的物理现象呢？为什么他们的时间只能流向一个方向？

我们现在正在研究这个。我先给你一些早期结论。一个例子是原子衰变。你会发现一个原子总是衰变成一个更轻的原子，而不是一个更重的原子。这与时间箭头一致，但似乎与重力无关，不是吗？然而，情况不一定如此。你知道，原子变成原子的原因是某种东西把它聚集成这样一个初始状态，然后它会衰变。

我们仍然不能详细理解它。但是我们有早期宇宙的模型。当引力被引入时，模型产生了许多异常的初始状态。随着宇宙的膨胀，重力慢慢失去了在生成子系统中的主导地位，最初的不稳定因素开始同时发展出其他时间箭头。

问:你的意思是早期宇宙可能有多个不同方向的时间箭头？

是的，确实有可能。我们实际上称这一过程为自然生成——在早期宇宙的某个阶段，不同时间的箭头是混乱的。但是因为重力是主要的力量，它迫使所有的时间箭头指向一个方向。在此之前，没有我们现在称之为时间和空间的概念。